CC BY
8
УДК 631.362.322
И. П. Попов, В. Г. Чумаков, С. С. Родионов, И. В. Шевцов, С. С. Низавитин
МЕХАНИЗМ ЗЕРНООЧИСТИТЕЛЬНОЙ МАШИНЫ С ПОСТОЯННЫМ ПРИВЕДЕННЫМ МОМЕНТОМ ИНЕРЦИИ
КУРГАНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ИМЕНИ Т. С. МАЛЬЦЕВА
I. P. Popov, V. G. Chumakov, S. S. Rodionov, I. V. Shevtsov, S. S. Nizavitin GRAINCLEANING MACHINE MECHANISM WITH CONSTANT
INERTIA MOMENT KURGAN STATE AGRICULTURAL ACADEMY BY T. S. MALTSEV
Указано, что динамика решетного стана зерноочистительной машины характеризуется значительным энергообменом с приводом агрегата. Предложена кинематическая схема, при которой решетные станы обмениваются кинетической энергией между собой, а не с приводом, что позволяет обеспечить равномерное вращение вала привода и существенно сократить знакопеременную величину потока мощности.
Ключевые слова: знакопеременная мощность, решетный стан, колебания, кинетическая энергия, привод.
It is specified that graincleaning machine's sieve mill dynamics is characterized by a considerable power exchange with the unit drive. The kinematic scheme is offered when sieve mills exchange kinetic energy among them, but not with the drive. It is allows to provide uniform drive shaft rotation and to reduce essentially the sign-variable power stream quantity.
Key words: sign-variable power, sieve mill, fluctuations, kinetic energy, drive.
Игорь Павлович Попов
Igor Pavlovich Popov E-mail: [email protected]
Владимир Геннадьевич Чумаков
Vladimir Gennadevich Chumakov доктор технических наук, доцент E-mail: [email protected]
Сергей Сергеевич Родионов
Sergey Sergeyevich Rodionov кандидат технических наук, доцент E-mail: [email protected]
Игорь Викторович Шевцов
Igor Viktorovich Shevtsov кандидат технических наук, доцент
Сергей Сергеевич Низавитин
Sergey Sergeyevich Nizavitin
Введение. Возвратно-поступательные движения решетных станов зерноочистительной машины сопровождаются значительными динамическими нагрузками, порождающими износ, разрушение, шум. При теоретическом исследовании этого явления общепринятым является допущение о том, что «в наиболее важных для практических приложений случаях плоскость (решета) колеблется по гармоническому закону» [2]. Гармонические возвратно-поступательные движения стана с ускорением (и замедлением) требуют воздействия на станы значительных сил со стороны привода.
Здесь необходимо рассмотреть два аспекта этого процесса.
Первый аспект - силовой. Переменные силы, с которыми привод воздействует на станы, порождают ответные реактивные силы, с которыми станы через шатуны действуют на кривошип (коленчатый
вал), т.е. на вал привода. Будучи также переменными, эти силы представляют собой динамическую (изменяющуюся во времени) нагрузку, вызывая изгибные и крутильные колебания вала привода, что неблагоприятно сказывается на условиях работы, надежности и работоспособности механизма. Явление это известно, изучено и предложен способ устранения этого вредного явления: установка шатунов двух станов на коленчатый вал со смещением на 180° приводит к тому, что воздействие реактивных усилий от двух таких шатунов уравновешивается в пределах участка приводного вала между креплением шатунов.
Второй аспект - энергетический. Его исследованию посвящена данная работа.
Методика. Настоящая работа является дальнейшим развитием темы, представленной в [1]. Методика исследований идентична описанной в этом источ-
Вестник Курганской ГСХА
№ 1, 2015
Инженерно-техническое обеспечение сельского хозяйства
69
нике и состоит в использовании приемов и методов математической физики для преобразования законов кинематики и динамики.
Результаты. В соответствии с допущением о гармоническом движении стана
х = 1?,т(ю^), (1)
где х - координата решетного стана, м;
I - амплитуда колебаний (радиус кривошипа), м;
ю - циклическая частота колебаний (угловая скорость вращения приводного вала), рад/с.
Скорость решетного стана V (м/с) определяется как производная от координаты х
V = X = I -ю- соэ(ю- t). (2)
Ускорение стана а (м/с2) определяется как вторая производная по времени от координаты х
а = X = -1 -Ю2 - - t). (3)
Без учета диссипации энергии выражение для силы, действующей на решетный стан со стороны привода, имеет вид
^ = т - 'X = -т -1 -Ю - 8т(ю-t), (4) где т - масса решетного стана, кг.
Мощность N (Вт), развиваемая приводом, определяется выражением
N = ^ - V = -т -12 - ю3 - 81и(ю- () - со8(ю- () = т-12-ю3 .
2
-81Й(2ю-t) .
(5)
На рисунке 1 изображены зависимости рассмотренных параметров от угла поворота кривошипа ф=т^. Начало отсчета угла ф совпадает с таким положением вала, когда стан находится в середине своего полного хода.
# • .V / 1
X \ • Л / р * Т > N Ч \ у "К 1 • V • / * ( % \
/ / / / \ 9 • к 1 \ \ \ \ • * * * / [ • •• # 1 % 1 * 1 » 1 * 1 •1
* 1 * 1 1 % 1 * 1 • 1 * 1 • *• ю '2 • • \ • * • я » + • 1 » \ \ \ \ 1 ч. Зя • I /2 а / / / г
V * Г" * \ \ V * > / » в / У / / /
и \ у« •1 г
2я ц>, рад
х - координата решетного стана, V - скорость решетного стана, ^ - сила, действующая на решетный стан, N - сообщаемая решетному стану мощность, ф - угол поворота кривошипа
Рисунок 1 - Вид зависимости параметров движения стана от угла поворота кривошипа
На рисунке 1 видно, что синусоида, описываю- ключается из этого процесса. Очевидно, что смеще-
щая изменение мощности N имеет период п рад. Та- ние по фазе должно составлять п/2 рад. ким образом, если второй стан установить так, что- Для этого может быть использована кинематиче-
бы он получал энергию от привода в той фазе, когда ская схема зерноочистительной машины, изображен-
первый отдает, то обмен энергией будет происходить ная на рисунке 2, а. между ними, а электродвигатель (и электросеть) ис-
У//УШ'Л а
б
Рисунок 2 - Кинематическая схема механизма (а) и расчетная схема сил, действующих на приводной вал (б)
Рассмотрим движение одного решетного стана и обмен энергией между станом и валом привода. Считаем, что рассматриваемый процесс идеален, т. е. нет потерь энергии на трение, движение стана - гармоническое. На первом этапе, при движении массивного решетного стана от крайней мертвой точки до среднего положения привод сообщает ему существенную кинетическую энергию. На втором этапе, при движении от среднего положения (положение верхнего стана на рисунке 2, а) до противоположной мертвой точки (положение нижнего стана на том же рисунке) решетный стан возвращает приводу полученную энергию.
В качестве источника энергии для приводного вала рассматриваем электродвигатель. В фазе, когда энергия передается от вала привода к стану (в случае, когда имеется один стан), электроэнергия потребляется двигателем из сети. Этот этап сопровождается снижением угловой скорости вала привода. На втором этапе, когда энергия передается от стана к валу привода, это сопровождается возрастанием угловой скорости вала привода, двигатель при этом работает в режиме генератора. Передача энергии по электрической сети сопровождается значительными те-
пловыми потерями. Борьба с этим явлением, неравномерностью вращения кривошипа, в механике ведется путем установки маховика на вал привода (или двигателя). Однако известно, что с помощью маховика невозможно достичь желаемого результата: некоторая неравномерность вращения вала всегда будет оставаться. Представленная на рисунке 2, а кинематическая схема позволяет достичь абсолютной равномерности вращения вала привода, а значит, позволяет устранить обмен энергией между электродвигателем и питающей сетью.
Принцип ее действия заключается в том, что решета обмениваются кинетической энергией между собой, а не с приводом агрегата, что позволит прекратить поток знакопеременной мощности из сети. Без потерь на трение в данном механизме могут происходить свободные незатухающие гармонические колебательные движения станов без подвода энергии извне [3-7].
Исследуем, как изменяются крутящие моменты, создаваемые силами, с которыми станы воздействуют на вал привода.
Сопоставление выражений (1) и (4) позволяет получить зависимость силы от координаты
¥ = -т О2 ■ х. (6)
Таким образом, при угловой скорости ш реактивные силы ¥1 и ¥ с которыми решетные станы воздействуют на вал привода определяются формулой (6) и значениями х1 и х2 (рисунок 2, б). Вычислим модули крутящих моментов, создаваемых этими силами, считая массы станов одинаковыми и равными т
М1 = ¥ ■ к1 = т О)2 ■ х1 ■ кх (7)
М 2 = ¥2 ■ к2 = т О ■ х2 ■ к2
(8)
На рисунке 2, б видно, что х1-Н1= х2Н2. Следовательно, в каждый момент времени крутящие моменты, создаваемые на валу привода реактивными силами со стороны станов, равны и противоположны по направлению. Алгебраическая сумма их постоянно равна нулю. Это доказывает, что вращение вала является абсолютно равномерным, без колебаний угловой скорости.
Таким образом, для изображенной кинематической схемы на рисунке 2, а при отсутствии потерь на трение и допущениях, принятых выше, движение механизма будет совершаться при абсолютно равномерном вращении вала привода и отсутствии обме-
№ 1, 2015 Инженерно-техническое обеспечение
сельского хозяйства
71
Вестник Курганской ГСХА
на энергией между механизмом и электрической сетью. При наличии трения будет происходить потребление энергии, затрачиваемой только на преодоление сил трения и моментов сил трения.
Выводы. 1 Установлена возможность создания механизма, в котором достигнуто абсолютно равномерное вращение приводного вала. Для двух решетных станов, совершающих возвратно-поступательные движения, это достигается тем, что крепление шатунов к приводному валу обеспечивает смещение фаз движения станов на 90 градусов относительно друг друга.
2 В работах [8-11] показано, что в соответствии с изложенным принципом может быть построена колебательная система с любым количеством инертных элементов (в данном случае - решет). Например, в трехэлементной схеме углы между эксцентриками должны составлять 120 градусов.
3 Для устранения реактивных динамических нагрузок на вал привода и корпус зерноочистительной машины может быть использована кинематическая схема с четырьмя решетными станами, установленными со смещением 90 градусов.
Список литературы
1 Фоминых А. В. Повышение эффективности сепарирования зерна и сои на основе совершенствования фракционных технологий и машин: Дис. ... докт. техн. наук. - Челябинск: ЧГАУ. - 2006.
- 268 с.
2 Попов И. П., Попов Д. П., Кубарева С. Ю. Об одном способе нейтрализации реакции массивных деталей и узлов на внешние периодические воздействия // Вестник Курганской ГСХА. - 2012. - № 2 (2).
- С. 60-62.
3 Попов И. П., Чумаков В. Г., Чикун А. В. Самонейтрализация механических инертных реактансов основной гармоники в решетных станах // Вестник
Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии. - 2014. - № 4 (28). - С. 170-174.
4 Одно из направлений модернизации решетных станов зерноочистительных машин / Попов И. П. [и др.] // Зауральский научный вестник. - 2014. - № 2 (6). - С. 30-32.
5 Попов И. П. Колебательные системы с однородными элементами // Инженерная физика. - 2013.
- № 3. - С. 52-56.
6 Попов И. П. Свободные механические гармонические колебания, обусловленные преобразованием кинетической энергии в кинетическую // Вестник Курганского государственного университета. Естественные науки. - 2013. - Вып. 6. - № 3 (30).
- С. 76, 77.
7 Попов И. П. Свободные механические гармонические колебания в системах с кривошипно-кулисными механизмами // Вестник Курганского государственного университета. Технические науки.
- 2012. - Вып. 7. - №2 (24). - С. 14-16.
8 Попов И. П. Механические колебательные системы, состоящие только из однородных элементов, и возникновение в них свободных гармонических колебаний // Омский научный вестник. Приборы, машины и технологии. - 2012. - № 3 (113).
- С. 177-179.
9 Попов И. П., Шамарин Е. О. Свободные механические гармонические колебания со смещенными фазами // Вестник Тихоокеанского государственного университета. - 2013. - № 2 (29). - С. 39-48.
10 Попов И. П. Колебательные системы, состоящие только из инертных или только упругих элементов, и возникновение в них свободных гармонических колебаний // Вестник Томского государственного университета. Математика и механика. - 2013.
- № 1 (21). - С. 95-103.
11 Popov I. P. Free harmonie oscillations in systems with homogeneous elements // Journal of Applied Mathematics and Mechanics. - 2012. - Vol. 76. - Iss. 4.
- P. 393-395.
